Avances de la Nanotecnología en el Sector

Avances de la Nanotecnología en
el Sector Agroalimentario
Barcelona 3 de Junio de 2008
Casa Llotja de Mar
AROMICS: company profile
AROMICS is dedicated
to the application of the
Omic Sciences as well
as other disciplines on
the
identification,
selection and validation
of markers.
Pharmacology
Molecular
Biology
Proteomics
Markers
Genomics
Cell
biology
Pharmacogenetics
In vivo
studies
Biochemistry
Drug
Screening
Engineering
The traslational application of these markers in the industry
AROMICS is focused on three sectors:
•Health (human and animal)
•Agro-food
•Environment
Nanotechnology in the agro-food sector
The term ‘nanofood’ describes food which has been cultivated,
produced, processed or packaged using nanotechnology
techniques or tools, or to which manufactured nanomaterials
have been added (Joseph and Morrison 2006).
2006
Aspectos a destacar en la siguiente charla:
•Destacar como la industria agroalimentaria está utilizando o
planea utilizar la nanotecnología
•Destacar algunos aspectos de la investigación en nanotecnología
en el sector agroalimentario
•Señalar algunos puntos críticos de cómo la nanotecnología
afectará a nuestra alimentación durante la próxima década.
Punto 1. El mercado
Un mercado emergente:
• Más de 300 nanoproductos alimenticios disponibles en el mercado.
• El mercado de la nanoalimentación tenía en 2005, un valor de 5.300 $
y esa cifra aumentará hasta 20.400 millones en 2010.
• En 2015 la nanotecnología se utilizará en el 40 % de las industrias
alimentarias.
• Este crecimiento proviene principalmente de las aplicaciones de la
nanotecnologia en el negocio de envasados (“Food Packaging Business”).
• Las ventas mundiales de productos nanotecnológicos relacionados con el
envasado de comida y bebida ascendió de US$150m (€120m) en 2002 a
US$860m (€687.5m) en 2004.
• Está previsto un crecimiento del 25% en la próxima década
• Hace tres años habían 40 productos de nanoenvasado, ahora hay cerca
de 250 aplicaciones en el mercado.
• Numero elevado de patentes y publicaciones en los últimos cinco años
•Incremento en el numero de iniciativas y desarrollos en Europa (31,5%),
USA (37,2%) y Japón (37,2%)
Helmut Kaiser Consultancy Group
Ejemplos del uso de nanomateriales en agricultura, alimentos y packaging
Empresas agroalimentarias que utilizan nanotecnología
(ETC group 2004, Innovest 2006, Renton 2006, Wolfe 2005).
Compañías
Altria (Kraft Foods) Associated
British Foods
Ajinomoto
BASF
Bayer
Cadbury Schweppes
Campbell Soup
Cargill
Dupont Food Industry Solution
General Mills
Glaxo-SmithKline
Goodman Fielder
Group danone
John Lust group Plc
H.J. Heinz
Hershey Foods
La Doria
Maruha
McCain Foods
Mars, Inc
Nestlé
Northern Foods
Nichirei
Nippon Suisan Kaisha
PepsiCo
Sara Lee
Syngenta
Unilever
United Foods
Las aplicaciones de la nanotecnología en el campo de la alimentación, se
centran principalmente en desarrollar nuevos envases y alterar algunas
propiedades de los alimentos.
Agricultura
•Crecimiento controlado
de hormonas.
•Nanosensores
para
detectar enfermedades
en plantas y animales.
•Nanosensores
para
controlar
las
condiciones del suelo y
el crecimiento de las
cosechas.
•Nanocápsulas
para
generar vacunas.
Procesamiento de
alimentos
Suplementos
alimentarios
• Nanopotenciadores
del sabor.
• Nanoparticulas para
controlar la viscosidad
de los alimentos.
• Nanoparticulas para
detectar virus en los
alimentos.
• Polvos para incrementar la
absorción de los nutrientes.
• Nanogotas que contengan
vitaminas para una mejor
absorción.
• Nanocápsulas para
controlar la estabilidad de los
nutrientes.
• Nanopartículas para llevar
hasta las células humanas los
nutrientes sin afectar al color
y al sabor de los alimentos.
Envasado
• Anticuerpos adheridos a
nanoparticulas fluorescentes
para detectar aditivos
químicos y enfermedades.
• Nanosensores biodegradables
para controlar la temperatura,
humedad y conservación
de los alimentos.
• Nanopelículas para evitar la
absorción de oxígeno.
• Nanosensores electroquímicos
para detectar alcohol
Aplicaciones (I) : Agricultura
Aplicaciones (I) : Agricultura
En referencia a la aplicación de la nanotecnología en la producción
agrícola destacan dos puntos :
- Mejorar la productividad (principalmente en uso de fertilizantes),
optimizando el uso del agua, los fertilizantes y los productos
fitosanitarios
- Proteger los productos de posibles contaminaciones (uso de
pesticidas, desarrollo de nanocaptadores para detectar enfermedades,
plagas o falta de agua en las plantas).
Ejemplos:
BASF desarrolla nanoemulsiones y nanoencapsulados que permiten
que las formulaciones una vez agitadas queden homogeneizadas
durante más de un año (antes se agitaban cada dos horas para
prevenir que los ingredientes se separaran).
Monsanto, por ejemplo, trabaja con Flamel Technologies en el desarrollo de
un herbicida en nanocápsulas.
Syngenta ya tiene una nanocápsula que libera su contenido en el estómago de
ciertos insectos.
KX Industries desarrolló filtros físicos con poros o membranas antivirales y
antibacteriales que permitirían recuperar agua contaminada para uso agrícola o
doméstico.
Flammel MedusaTM
Polymer
of
glutamic acid
KX
industries,
cationic Polymer
Aplicaciones (II) : Alimentos
Aplicaciones (II) : Procesado de alimentos
Aditivos (conservantes)
Silicatos de aluminio: se utilizan como antiagregantes en comidas como
cereales, leches en polvo, etc.
Anatase titanium dioxide se usa como aditivo para preservar quesos y
salchichas, dandoles un aspecto más fresco y brillante
Sonotek Company, desarrolla nanocoatings
capa fina de cera de 5nm.
Este coating puede ser utilizado para liberar
olores, sabores, colorantes.
Se puede utilizar en carnes, frutas, quesos, et
Aditivos (nutricionales)
Ejemplos de nanoingredientes incluyen nanopartículas de
hierro o zinc y nanocápsulas que contienen vitaminas,
coenzima Q10 o Omega-3.
Micrografia electronica micela de Co-Q10, Ubisol AquaTM, Zymes
Aplicaciones (II): Suplementos alimentarios
El término NUTRACÉUTICO proviene de “nutrición” y “farmacéutico”
Se define la Nutracéutica como “un alimento o parte de un alimento que
proporciona beneficios médicos o para la salud, incluyendo la
prevención y/o el tratamiento de enfermedades”.
Debemos distinguir entre:
Nutracéuticos: productos de origen natural con propiedades
biológicas activas, beneficiosas para la salud y con capacidad
preventiva
y/o
terapéutica
definida.
Alimentos Funcionales: aportan al organismo determinadas
cantidades de vitaminas, grasas, proteínas, hidratos de
carbono y otros elementos necesarios para el organismo.
Complementos Alimenticios o suplementos dietéticos:
productos utilizados para complementar la dieta (vitaminas,
minerales, etc)
NANOMICELAS
• Las nanomicelas son partículas esféricas de 5-100 nanómetros en
diámetro.
• Se forman espontáneamente por la disolución de surfactantes en
agua a concentraciones que exceden un nivel crítico, conocido como
"concentración crítica de la micela".
• Permiten encapsular moléculas no polares como lípidos,
saborizantes, antimicrobianos, antioxidantes y vitaminas. (objetivo:)
Aplicaciones exitosas de microemulsiones incluyen la encapsulación
de limonene, licopeno, luteína, y ácidos grasos omega-3
Algunas patentes:
ƒIncorporación de aceites esenciales saborizantes a bebidas
carbonatadas
ƒEncapsulación de alfa-tocoferol para reducir la oxidación de los lípidos
en el aceite de pescado.
Aquanova German Solubilisate Technologies GmbH
Aquanova acaba de patentar en Europa una
solución de isoflavonas ambifílicas, conocida como
NovaSol ®Iso,
Iso que consisten en isoflavonas de la
soja encapsuladas dentro de micelas, de alrededor
de 30 nm de diámetro
Las micelas mejoran la absorción y bioavilidad de
estas isoflavonas
El primer producto en mercado ha sido incorporado
en “salchichas”, mejorando su textura, sabor y
estabilizando el color, pero además mejoran el
proceso de producción.
Tienen otros productos usados para encapsular
otros ingredientes, vitaminas, coenzima Q10 y
ácidos grasos.
LIPOSOMAS
• Los liposomas, o vesículas de lípidos son formados de lípidos polares
abundantes en la naturaleza, principalmente fosfolípidos (como los
presentes en la soja o los huevos)
• Los liposomas son esféricos con una configuración de concha de dos
capas.
• Las vesículas de lípidos pueden ser uni- o multilamelar conteniendo una
o más conchas de dos capas, respectivamente.
• Los liposomas varían en tamaño entre 20 nm (nanómetros) y unos
cientos de micrómetros.
• Su interior es acuoso por naturaleza
• Los liposomas pueden incorporar una variedad amplia de componentes
funcionales en su interior.
• A diferencia de micelas, pueden ser usados para encapsular a
compuestos solubles en agua y en grasa.
Principales aplicaciones:
• Los liposomas se usan para encapsular proteínas
• El interior del liposoma, tiene propiedades que se
asemejan a un solvente orgánico.
• Proveen un micro-ambiente que permite mantener
funcionalidad proteica
Ejemplos:
•Liposomas que encapsulan lactoferrina para incrementar la vida media en
el estante de los productos lácteos
•Fosvitina atrapada en liposomas para inhibir la oxidación de lípidos en
una variedad de productos lácteos y carne molida de cerdo.
•La vitamina C encapsulada en los liposomas para retener actividad
después de de 50 días de almacenamiento refrigerado mientras que la
vitamina C no encapsulada perdió su actividad después de 19 días.
Lyposphere Inc
Taylor, T.M. et al. Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 45: 1-19, 2005
Biopharma Scientific : Nanosorb technologies
Nanosorb® es un sistema de
liberación de compuestos basado
en liposomas
Nanosorb mimetiza la capacidad
del cuerpo humano de crear
liposomas de pequeño diámetro
para transportar nutrientes poco
solubles (peptidos, proteinas) y por
tanto de mala-absorción.
NanoSorb technology permite generar liposomas de tamaño nanométrico que
encapsulan espontáneamente en su interior diferentes productos al añadirles
agua, sin necesidad de calentar, enfriar o agitar.
Algunos productos comerciales : NanoOmega3, Nanogreens10, CoQ10, vitamin
B12, vitamin E,…
Biopharma Scientific Inc.
Nanoemulsiones
• Son emulsiones muy finas (o/w) de dos líquidos inmiscibles
(generalemente de aceite en agua) con uno de los líquidos
siendo dispersado en el otro en forma de gotas. El de
diámetro en las gotas de 50 a 200 nm (nanómetros).
•Ejemplos: mayonesa, leche, salsas con grasa, y aderezos
para ensaladas.
•Tienen propiedades de textura interesantes. Por ejemplo,
pueden comportarse como una crema viscosa a
concentraciones muy bajas de las gotas de aceite, y se utiliza
en el desarrollo de productos bajos en grasa.
Ejemplos:
Mayonesas que incluyen nanoparticulas de aluminio y silicona
Coloides hidrofilos que contienen goma arábica o gelatina
Nanopartículas biopoliméricas
Estas nanopartículas consisten de una matriz de biopolímeros que
pueden estar conectadas a través de fuerzas intermoleculares de
atracción o a través de enlaces químicos covalentes para formar
partículas sólidas.
Las nanopartículas pueden consistir de un biopolímero simple o puede
tener una estructura de concha-interior.
Hoy, un a amplia variedad de polímeros naturales y sintéticos, han sido
usados para encapsular y transportar compuestos.
Entre estos esta el chitosan, un polímero anti-microbiano y
antioxidante obtenido de las conchas de crustáceos y el compuesto
sintético poli-láctico
Ejemplos:
KitofitC® (Chitosan-Vitamin C Tablets)
Películas de quitosano (al 1%) con espesor de 31nm en
tartaletas de manzana.
Quitosán se utilliza por sus
propiedades por su capacidad para
formar un film, para inhibir el
crecimiento bacteriano, y de hongos,
y su biodegradabilidad.
Fisheries and Food technological
Institute, Bizkaia (Spain)
(+)quitosan
(-)quitosan
Preservación a 4ºC
Microesferas de PLGA conteniendo vitamina E
Microesferas de PLGA conteniendo
aditivos.
El contenido se libera en el tracto
gastrointestinal, se han generado para
evitar la inactivación en el estomago.
El grosor de la microesfera la hace
específica a degradación según
propiedades de pH, enzimas o
temperatura.
Universidad de Farmacia, UAM, Madrid.
pSivida es una compañía australiana (NASDAQ:PSDV), centrada en el
desarrollo y comercialización de silicona modificada (porosa or nanostructured silicon) conocida como BioSiliconTM.
Acaba de lanzar una spin-out, pSiNutria Limited (capital USD$1.1m)
centrada en las aplicaciones de esta tecnología en la industria
agroalimentaria.
La innovación: este producto puede ingerirse como un ingrediente gracias a
sus propiedades biodegradables y ópticas. BioSiliconTM se degrada en
acido silícico que se encuentra ya de forma natural en otros alimentos
como cerveza, vinos, cereales, arroz entre otros.
Entre las aplicaciones de la empresa destacan: productos contienen
vitaminas, antibioticos para patógenos, aditivos para preservación,, etc.
http://www.psivida.com
Aplicaciones (II): Alimentos funcionales
Los probióticos son mezclas de especies bacterianas vivas que ingeridas
tienen un efecto beneficioso en la salud del consumidor, mejorando la salud
intestinal, disminuyendo niveles de colesterol y mejorando el sistema
immunológico.
Los probióticos se incorporan en la dieta en forma de yogurt o derivados
fermentados de la leche (queso, pudding, bebidas basadas en
leche)
Cultivos microencapsulados probióticos de ácido láctico
(cápsulas de 2 a 10 micron)
La alta resistencia de las cápsulas actúa:
•como protección ante influencias perjudiciales del ambiente
•evitando un transporte difuso de sustancias inhibidoras
•aumentando las propiedades competitivas de los
microorganismos frente a la flora intestinal natural
•una efectividad máxima posible del probiótico en el lugar de
actuación
Aplicaciones (III) : envasado
Entre 400-500
productos ya en
el mercado!!!
Objetivo :
Alargar
el
tiempo
de
vida de los
alimentos
envasados,
(menor
degradación
por gas o por
exposición a
luz
“Envases Inteligentes” que dan a los productos una apariencia de
alimento fresco y de calidad.
El envase interaccionar con la comida que contiene (ej.: liberan
antimicrobiales, antioxidantes, sabores, fragancias,
Nanotubos de carbono capaces de “bombear” oxígeno o CO2 que causan
deterioro del alimento
Envases inteligentes que liberan biocidas y contenedores, instrumentos
hechos de materiales biocidas, que preservan los alimentos del
crecimiento de microbios por cambios en humedad, etc.
Estos productos suelen contener nanopartículas de Ag, ZnO2, MgO2, TiO2
Aplicaciones (IV) : Trazabilidad
NanoInK: Una nueva tinta para detectar la presencia de oxigeno en comida
envasada, como alerta que el producto no está en buen estado.
La tinta está formada por nanocápsulas de un polimero de hidroxietilcelulosa que
contiene una dispersión acuosa de TiO2, trietanolamina y un indicador redox
(azul de metileno)
La tinta es incolora. En presencia de oxigeno o de luz UV, la tinta se vuelve azul
por lo que puede trazar aquellos alimentos en los que el oxigeno ha entrado, o
han estado en contacto con la luz UV.
La encapsulación del polímero permite que pueda incorporar en plástico, metal,
papel u otras superficies
(University of Strathclyde, Glasgow)
Etiquetas biocompatibles con un sistema de identificación de radio-frequency
identification (RFID) que permiten ver como el alimento ha sido tratado
Oxonica Inc, incorpora nanopartículas de Au, Ag, Pd, Ni, Pt para
incorporarse en contenedores
Aplicaciones (V): Seguridad Alimentaria
La industria alimentaria demanda métodos rápidos para estimar la
identidad, la caducidad, el deterioro o la contaminación de los
alimentos. A la industria en general, y a la alimentaria en particular, le
es necesario controlar de manera confiable los productos en matrices
muy complejas. Con la consolidación de la Unión Europea, las
medidas dirigidas hacia el control de alimentos cada vez son más
estrictas y generan necesidades analíticas muy variadas.
Esencialmente se pueden clasificar en contaminantes microbiológicos
(bacterias, virus y parásitos), material exógeno, toxinas naturales, y
otros compuestos químicos tales como pesticidas, metales tóxicos,
dogas y residuos veterinarios, entre otros.
Lateral Flow (LF) tests: formato y beneficios
Principle: son immunoensayos cuyo principio de operación se basa en la
migración de micro- y nanopartículas a través de la membrana
Las líneas son fácilmente detectables (por ojo humano) una vez la
muestra se aplica
Benefits
Limitations
•Qualitative
•Selective
•User-friendly, fast and
easy
•Easily configured for
different analytes
• Many
applications:
clinical,
veterinary,
agro-food,
environmental
•Not quantitative
•Sensitivity limits
•Not useful for on-line
applications
•No automatic recording
•Applicability for genetic
testing
Nanobiosensores
Un nano-biosensor es un dispositivo analítico capaz de aportar información
cuantitativa o semi-cuantitativa por la señal generada por el reconocimiento
biológicos específico entre el analito de interés y la molécula de
reconocimiento
Nucleic Acid
Antibody
Enzyme
Recceptor
Cellorganelle
Electroactive
substance
Recognition
material
PMT, CCD
Light
Mass change
Piezoelectric
SPR
Heat
Temperature
sensor
pH
pH electrode
Whole cell
Tissue
Electrode
Signal Transducers
Electrical
signal
Principales beneficios
•Medidas cuantitativas
•Información fiable y rápida
•Selectividad y sensibilidad
•Instrumento portable
•Plataformas rápidas, fáciles de manejar
•Facilmente aplicables a medidas on-line
•Bajo requerimento energético
•Configurable para diferentes analitos
Aplicaciones
ƒClinica: diagnostico In vitro and in vivo (glucose detection, bacterial
urinary tract infections, cancer cell targeting, …)
ƒAgro-food: Seguridad alimentaria (patógenos, pesticidas, aditivos,
metales pesados, toxinas, antibióticos …)
ƒMedioambiente: pesticidas en aguas, toxicos en suelos, sedimentos,
aguas, etc.
Nano-biosensores
•Diseño de biosensores:
El principio de operación del sensor recae en el elemento
de captura inmobilizado sobre la superficie transductora.
•Existen diferentes aproximaciones para inmovilizar este
elemento: adsorción inespecífica, unión a avidina o
estreptoavidina, proteina A, SAMs, …
•Problemas: Uniones inespecíficas, que dependen de
condiciones ambientales, una mala unión, …
Nuevas tendencias
Nanoparticles as recognizing elements
DNA dendrimers
Schematic drawing showing the hybridization detection at the dendrimer/QCM
biosensor. The 38-mer probe is attached to the core dendrimer by complementary
oligonucleotide (a(-)) binding on one (a(+)) of the outer arms. The probe sequence
for target hybridization is 5′-GGG GAT CGA AGA CGA TCA GAT ACC GTC
GTA GTC TTA AC-3′.
Nanopartículas magnéticas
Nanopartículas magnéticas funcionalizadas con elementos de
reconocimiento
específicos
(anticuerpos,
secuencias
nucleótidos,…) para biosensorización magnéticas
En esta aproximación el “label” es magnético
Ventajas: sensibilidad, doble-uso para immunoseparación de
biomoléculas y sensorización
Example of Magnetic bead-based biosensor
AROMICS EU project CRAFT (FP6)
“Analytical tool for the in-situ detection of pathogens by a rapid and
low cost assay”.
No-funcionalizadas
Funcionalizadas-Ab
Magnetic nanoparticles (100 nm) functionalized with specific
Antibodies for the pathogen of interest
Nanodispositivos
“Miniaturización de
biosensores”
Los dispositivos de escala nanométrica se basan en muchas de las
técnicas estándar empleadas para los circuitos electrónicos
integrados
Nanoestructuras
(litografia)
Los sistemas más sofisticados son los
llamados lab-on-a-chip que integran:
Microfluidica + superficie sensora +
transductor de señal
Revestimiento
con
biomoléculas
Nanodispositivos : “nanocantilevers”
Son pequeñas estructuras de distintas formas
(cuadradas, rectangulares, triangulares, …)
formadas generalmente por silicio.
•Cuando el analito a detectar se une a la
superficie del nanocantilever, se producen
cambios en la tensión superficial y el
nanocantilever se dobla (estructuras
resonantes).
•Monitoreando estos cambios, podemos
cuantificar el número de moléculas/analito
presentes en la muestra
•Como tienen una medida tan pequeña, tienen una gran resolución en
un rango muy pequeño: permiten detectar cantidades muy pequeñas
del analito
Tendencias futuras...
Problemas:
-Los efectos sobre el cuerpo humano, impacto sobre salud de las
nanopartículas no se conocen
- Algunas preguntas no son claras:
¿Atraviesan distintas barreras de órganos?
¿Qué efectos causan cuando se depositan en órganos?
El uso de la nanotecnología en comida y bebida puede generar el
desarrollo de nuevos alergenos, reaccione immunológicas y
pueden incluso tener secuelas toxicas.
Gracias!!!
www.aromics.es
[email protected]
© Parc Científic de Barcelona
Applied Research using Omic
Sciences S.L.
Parc Científic de Barcelona
Edif. Hèlix - Lab. A05-B05, 2a planta.
c/ Baldiri Reixac, 15-21
08028 Barcelona SPAIN